《Biochemical and Biophysical Research Communications》：The underlying mechanism of cardiac injury in exertional heat stroke rats based on the scRNA-seq analysis
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运动性热射病（EHS）心肌损伤的细胞信号通路与关键基因研究。通过单细胞RNA测序分析EHS大鼠心肌组织，发现310个差异表达基因（DEGs），其中18个高变异基因经RT-qPCR和免疫组化验证，显示Hspa8、Hspe1显著上调，而Id1、Ndufa4、Cd36下调。这些基因与线粒体损伤、心肌机械损伤及蛋白质错误折叠相关，可能作为EHS心肌损伤的早期生物标志物。
罗正汉|李志|唐成良|张金海|陈乐如|傅千云|张琦|严涵|杨湛|王春辉|郑峰
中国南京华东医学与生物技术研究院传染病预防控制科
摘要
散热依赖于完整的心血管系统来扩张皮肤血管并增加心输出量。然而，在高热状态下，心脏成为易受损害的器官，容易出现心律失常、功能衰竭和局部心肌坏死。特别是患有心血管功能障碍的个体，发生运动性热射病（EHS）的风险要高得多。本研究旨在探讨和验证与EHS相关的细胞信号通路和关键基因。研究结果旨在阐明心脏损伤的机制，并为EHS中心脏损伤生物标志物的早期识别提供理论基础。使用Seurat::FindMarkers函数，在logfc.threshold = 0.25、调整后的P值 = 0.05（Bonferroni校正）和min.pct = 0.1的条件下，从两组细胞中鉴定出310个差异表达基因（DEGs）。其中，选择了18个变异显著的基因进行进一步验证。最终，RT-qPCR和免疫组化检测证实Hspa8和Hspe1表达上调，而Id1、Ndufa4和Cd36表达下调。这些筛选出的高变异基因在热应激诱导的线粒体和心肌机械损伤、蛋白质错误折叠中起着不同的作用，可能作为心脏损伤机制中的潜在生物标志物。
引言
随着全球变暖的加剧，全球热浪事件的频率和强度都在增加。与热相关的疾病发病率持续上升[1]。热射病（HS）已成为一个紧迫的公共卫生问题。热相关疾病的最严重表现是由于长时间暴露在高温下以及全身热量积累的调节机制失调，导致热量积累与散热之间的不平衡。HS的快速发作和发展，加上复杂的病理生理变化机制，给临床诊断带来了巨大挑战[2]。
根据其发病机制和患者群体的特点，HS分为经典热射病和运动性热射病（EHS）。经典热射病是在没有体力活动的情况下由热暴露引起的。EHS则是在炎热或潮湿环境中进行剧烈体力活动时发生的[3]。根据《中国2025年版热射病诊疗指南》，经典热射病主要发生在体温调节能力受损的个体中，如老年人、儿童或患有基础疾病的人。相比之下，运动性热射病（EHS）主要影响在高温环境下进行高强度体力活动的年轻人和中年人，包括军事人员、运动员和户外劳动者等[4]。其发病机制是由于过度的代谢产热超过了身体的生理散热能力，主要表现为高热（核心体温>40°C）、无汗症、皮肤干燥发热、精神状态改变和多器官功能障碍。如果没有及时和适当的干预，死亡率在20%到70%之间，50岁以上患者的死亡率甚至可高达80%[5]，[6]。EHS占运动相关死亡的很大比例；例如，在2009年至2018年间，日本高中生的EHS死亡率为22.2%[7]。在美国军队中，1998年至2017年间EHS的临床诊断率为（2.7±0.5）/10,000[8]。2024年美国运动医学统计数据显示，足球运动中EHS的发病率最高，其中进攻线球员占足球相关EHS死亡的97%[9]。
EHS患者的高死亡率源于多器官功能障碍，其中体温调节、心血管和组织灌注的异常与心血管系统的完整性密切相关。在热应激期间，心脏通过增加皮肤血流量和调节血压及组织灌注来重新分配血液。因此，心血管调节在EHS的发病机制中起着关键作用。然而，在热损伤状态下，心脏变得脆弱，容易发生心律失常、心脏功能障碍和局部心肌坏死。已有心血管功能障碍的个体患EHS的风险特别高，因为他们无法充分增加心输出量和皮肤血流量[10]，[11]。一项荟萃分析显示，基础心血管疾病使热射病患者的死亡风险增加了近2.5倍[12]。现有研究表明，运动引起的热射病（EHS）导致的心肌损伤可能与铁代谢紊乱、抗氧化防御系统的崩溃等因素有关[13]，[14]。
EHS的高死亡率在很大程度上归因于早期检测和误诊的挑战，这延误了最佳治疗时机。在本研究中，构建了EHS大鼠模型，并将其心脏顶端组织分离成单细胞进行单细胞RNA测序（scRNA-seq）。通过分析基因表达谱和相关功能通路，我们筛选出了EHS大鼠和正常大鼠之间的差异表达基因（DEGs）。这些基因可能参与心脏损伤的发病机制，或作为EHS大鼠早期诊断的生物标志物，从而为其发病机制、早期检测和临床诊断提供理论基础。
实验部分
动物模型的建立
从南通大学购买了20只SPF级雄性SD大鼠（6周龄，体重190–200克）。它们的健康状况由苏州大学卫生与环境技术研究所进行了验证。大鼠在室温（25±2°C）和湿度（50±5%）的受控环境中适应了4天。然后逐渐开始跑步机训练以筛选出健康状况良好的大鼠，训练方案如下：5分钟以每分钟10转（rpm），10分钟以每分钟15转（rpm），
结果
整个研究工作流程如图1所示。鉴定出5个高变异基因，这些基因可能通过参与线粒体损伤、心肌机械损伤和蛋白质错误折叠等过程影响EHS引起的心脏损伤。图中的实线箭头表示有明确证据支持的已确立机制，而虚线箭头代表尚未被表征的假设机制。
讨论
由于全球变暖，热射病的发病率正在上升，其特点是疾病进展迅速和临床症状严重，导致高残疾率和死亡率。临床流行病学研究表明，心血管系统在热射病的发病机制中起着核心作用，控制着器官的血液灌注和全身体温调节。值得注意的是，20%–65%的热射病患者会出现循环休克，85%的患者会出现心电图异常[15]，
结论
利用scRNA-seq和生物信息学分析，我们筛选了EHS大鼠的心脏顶端组织，鉴定出差异活跃的信号通路（趋化因子信号通路和局部粘附形成）、富集的细胞功能（氧化应激反应、膜结构组织和泛素化通路），以及关键DEGs，包括Id1、Ndufa4、Cd36、Hspa8和Hspe1。这些DEGs的表达变化已通过实验得到验证。
现有研究表明，这些鉴定出的基因在
动物伦理批准声明
大鼠购自南通大学。质量检测由苏州大学卫生与环境技术研究所完成。实验室动物许可证编号为SCXK(Su)2019-0001。该研究得到了华东医学与生物技术研究院动物伦理委员会的批准。研究方案也获得了华东医学与生物技术研究院、南京肾病国家临床研究中心的批准。
作者贡献声明
王春辉：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、研究、概念构思。郑峰：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、研究、数据分析、概念构思。罗正汉：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学研究、数据分析。李志：资源获取、研究、数据管理。傅千云：研究、数据管理。张琦：研究、数据分析。严涵：数据和材料的可用性
本研究生成或分析的所有数据均包含在本文中。
资助
本工作得到了疾病控制与预防中心“一心”自主创新孵化基金（2023YQFH09）的支持
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
